青藏铁路于2006年7月1日正式开通运行,使我国所有的省级行政区全部通了火车,极大的解决了阻碍青海和西藏地区经济发展、社会发展的交通瓶颈,也为西部大开发提供了一个更高的发展平台。
青藏铁路地处海拔4000米以上的路段超过960公里,最高海拔处达到5072米,铁路客车电气系统、信号控制系统除了要满足严格的振动条件外,还需要符合高海拔的要求。特别是电器元件,在海拔高、空气稀薄的情况下,要依然能够保证车辆、信号系统的安全运行,需要对元件做特殊选择或进行符合高原条件的处理。接线端子作为关键电器元件之一,其连接可靠性影响着整个电气系统的运行安全,因而在高原环境下使用端子应注意其相关参数的变化。
高原环境下对电器元件的考虑主要有电气间隙、爬电距离、灭弧能力、抗紫外线能力等;对端子而言,则主要考虑电气间隙、爬电距离、抗紫外线能力等。
一、名词解释
电气间隙:两导体间的电气间隙是指将一根线紧绷在这两导体之间的最短直线距离。
电气间隙的大小和老化现象无关。电气间隙能承受很高的过电压,但当过电压值超过某一临界值后,此电压很快就引起电击穿,因此在确认电气间隙大小的时候必须以设备可能会出现的最大的内部和外部过电压(脉冲耐受电压为依据)。在不同场合使用同一电气设备或运用过电压保护器时所出现的过电压大小各不相同。因此根据不同的使用场合将过电压分为Ⅰ至Ⅳ四个等级。
[center]测量电气间隙的两个例子[/center]
爬电距离:绝缘物表面的两导体间的最短距离。
在绝缘材料表面会形成泄漏电流路径。若这些泄漏电流路径构成一条导电通路,则出现表面闪络或击穿现象。绝缘材料的这种变化需要一定的时间,它是由长时间加在器件上的工作电压所引起的,器件周围环境的污染能加速这一变化。
因此在确定端子爬电距离时要考虑工作电压的大小、污染等级及所运用的绝缘材料的抗爬电特性。根据基准电压、污染等级及绝缘材料组别来选择爬电距离。基准电压值是从供电电网的额定电压值推导出来的。
[center]测量“爬电距离”的两个例子[/center]
二、电气间隙的确认
此处以菲尼克斯电气有限公司的连接2.5mm2导线的ST2,5回拉式弹簧接线端子为例,计算高原环境条件下如何确认相关参数。
ST2.5 电气参数:
额定电压:800V 额定电流: 24A
额定脉冲耐受电压: 8KV 污染等级:3
过电压等级:Ⅲ 绝缘材料组别:Ⅰ
相邻端子间电气间隙:11.35mm 端子和导轨间电气间隙:10.11mm
相邻端子间爬电距离:11.35mm 端子和导轨间爬电距离:10.11mm
[center]确认电气间隙的流程图[/center]
青藏线项目中,我们以青藏线客车的工作电压为最例,我们知道,其电气系统额定工作电压是DC600V,所以此处选择工作电压≤1000V(交流有效值或直流平均值)级别计算,根据DIN VDE 0110:1989-01的标准,脉冲耐受电压为8000V(污染等级为Ⅲ级),见表1,根据此数据,查找表格2A,得出2000m以下海拔时最小电气间隙不能小于8mm(此处引用情况A的情况下的数据,情况A比情况B的数据要求更高,根据情况A确定的电气间隙尺寸的器件不需要额外的检验就可以直接使用于情况B),当海拔高度上升时,需用此数据乘以一个高度校正值,查表2B,可知当海拔高度是5000m时,间隙校正系数为1.48,二者之乘积为8x1.48=11.84,比Phoenix 的实际数值10.11要高,即在海拔5000m时,ST2.5的额定脉冲耐受电压无法达到8000V,反向推导,既其正常工作电压无法达到1000V(对应脉冲耐受电压是8000V)。但如果以工作电压为600 V计算,查表得出2000m以下海拔时最小电气间隙不能小于5.5mm,5.5x1.48=8.14 ,远小于Phoenix的实际数值10.11,所以此处可以得出,在海拔5000m时,Phoenix的ST2.5 端子的工作电压无法达到1000V,但远远超过600V(近似值在800V以上)。而实际上ST2.5的额定工作电压就是800V,即ST2.5端子工作在5000m的海拔高度时,额定工作电压不受到影响。
三、爬电距离的确认
爬电距离主要受工作电压的大小、污染等级、使用的绝缘材料的抗爬电特性的影响,但爬电距离必须大于对应的电气间隙。由上述电气间隙的计算中我们已经知道,当设备工作在在5000m时,若其额定工作电压为600V,则其电气间隙不能小于8.14mm,而PHOENIX的ST2.5端子的最小爬电距离为10.11,满足“爬电距离必须大于对应的电气间隙”;同样条件下,如果额定工作电压为1000V时,其电气间隙不小于11.84mm,Phoenix端子的电气间隙只有10.11mm,无法满足要求,即在5000m海拔高处,ST2.5端子无法工作在1000V的电压下;但如果其额定工作电压是800V时,由于表格1中无法给出对应800V工作电压时的相关参数,因而无法在表格2中查出对应的2000m处的电气间隙,但根据数据变化规则,可以近似得出额定工作电压是800V时,在2000m处的电气间隙是6.5-6.7,从而得出5000m海拔时,800V工作电压所对应的电气间隙约为9.62-9.92,小于10mm,也满足“爬电距离必须大于对应的电气间隙”;所以说端子即使工作在5000m时,ST2.5端子的爬电距离满足要求。
四、抗紫外线
菲尼克斯电气的端子外壳是由热塑性材料-尼龙所构成的,它对紫外线的不敏感使其在露天和热带地区等紫外线强烈的地区都能保持良好的性能。
这种现代绝缘材料具有部分结晶分子结构,因此在高达100℃的工作温度下,它仍保证具有非常好的电气、机械、化学和其他特性。它具有抗热老化特性,在短时间内所能承受的高温高达220℃。它对微生物、细菌、霉菌、酵素和蚁类也有很好的抵御力。
尼龙不易燃且能自熄灭。根据UL94的标准,尼龙可达到可燃等级V2至V0,其中V0阻燃等级最高,菲尼克斯端子都满足这个要求。它还不含卤素,满足铁路对塑料材料的低烟无卤的要求。
用以上方法对ST4系列弹簧端子进行验证,结论是ST4系列弹簧端子也能够在海拔5000米的地方以800V的额定工作电压进行工作。同样的方法检验菲尼克斯电气的其他连接技术产品,发现只要产品的额定工作电压达到800V,就可以在5000m高度用于DC600V的系统中而不用做任何的特别处理。
五、菲尼克斯电气端子产品在青藏项目中的部分应用
青藏线客车的电气控制系统采用集中控制和网络智能控制方式,全车电气控制系统包括:综合控制柜,塞拉门控制箱,污水控制箱,温水控制箱,集便器控制箱等。其中综合控制柜是整个客车的控制中枢,控制了空调系统、照明系统、供电系统、供氧系统、应急控制系统等,具有极其重要的作用。在如此重要的设备中大量使用着菲尼克斯电气的端子,所用端子包括ST回拉式弹簧端子和UK35端子。
[center]综合控制柜[/center]
温水控制箱主要用于控制洗漱的热水,以保证在高原高寒情况下的热水持续和可靠供用。在这个控制箱中也采用了菲尼克斯的回拉式弹簧接线端子。
青藏铁路为了解决高原环保问题,采取了多种措施,除了在施工中采取了环保施工外,客车也采取了垃圾集中收集,集中处理的方式。包括污水也采取了集中处理。污水控制箱就是控制污水处理系统的控制设备。在这个设备中,也采用了菲尼克斯电气的回拉式弹簧端子。
在青藏铁路信号系统中,例如,电缆盒和接线箱也使用了菲尼克斯的MZB系列微型弹簧端子。
目前,这些设备已经通过了初步高原实地运行试验,工作可靠。